頻域光學(xué)測(cè)量對(duì)腦血流動(dòng)力學(xué)的靈敏度:高碳酸血癥期間腦血流的模擬和人體研究

1.研究背景

大腦血流調(diào)節(jié)對(duì)維持正常的大腦功能和組織活力至關(guān)重要。在高碳酸血癥過(guò)程中測(cè)量CBF可得出腦血管反應(yīng)性(CVR)， CVR的定義是動(dòng)脈血二氧化碳?jí)毫挝蛔兓蠧BF的變化百分比。這種CVR的測(cè)量顯示了腦血管在高碳酸血癥反應(yīng)中擴(kuò)張的能力，是一個(gè)成熟的生物標(biāo)志物，用于誘發(fā)腦血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和評(píng)估腦血管功能。

2.研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)被試

實(shí)驗(yàn)一中，被試為年齡范圍為23-55歲的3女5男健康被試。

實(shí)驗(yàn)二中，被試為實(shí)驗(yàn)一中八位被試中的2，3和5號(hào)，于另一天回來(lái)做額外測(cè)量。此外，還有一位新被試，于是實(shí)驗(yàn)二中共有4名被試。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

無(wú)

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

受試者呼吸醫(yī)療空氣時(shí)5分鐘正常碳酸基線，吸入摻有5%二氧化碳的醫(yī)療空氣時(shí)3分鐘高碳酸血癥，以及吸入醫(yī)療空氣后5分鐘的正常碳酸恢復(fù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣體混合物被從氣罐運(yùn)送到一個(gè)可變體積的儲(chǔ)氣罐(以允許循環(huán)呼吸)，然后通過(guò)面罩運(yùn)送至受試者。使用氣體流量控制器保持空氣流量在10L/min。

實(shí)驗(yàn)一：光學(xué)探針被放置在受試者前額的右側(cè)。探頭由兩個(gè)源光纖對(duì)的線性陣列和兩個(gè)探測(cè)器光纖束圍繞兩個(gè)源之間的中線對(duì)稱組成。這種安排允許兩個(gè)單距離測(cè)量在35毫米，兩個(gè)單斜率測(cè)量25和35毫米，和一個(gè)雙斜率測(cè)量與兩個(gè)25毫米和兩個(gè)35毫米的距離。近紅外數(shù)據(jù)采樣率9.93Hz。

實(shí)驗(yàn)二：光學(xué)探針被放置在與實(shí)驗(yàn)一探針?biāo)兄那邦~區(qū)域大致相同的位置。該光學(xué)探頭有兩個(gè)雙斜率布置，橫向間距為10毫米：一只直接接觸頭皮，另一只接觸一個(gè)5mm厚的層，該層由散射像置于纖維與頭皮之間。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

FD-NIRS數(shù)據(jù)是用商業(yè)儀器采集的(Imagent, ISS, Inc.， Champaign, IL)，工作波長(zhǎng)為690和830 nm，調(diào)制頻率為140.625MHz。

檢測(cè)并去除原始SDI和SD?數(shù)據(jù)中的運(yùn)動(dòng)偽影。直觀地檢測(cè)出類步進(jìn)運(yùn)動(dòng)偽影(特征時(shí)間< 1 s的信號(hào)中的任何快速瞬態(tài)步進(jìn)變化)，并通過(guò)在該步改變后的信號(hào)中添加偏移量來(lái)校正它們。然后我們應(yīng)用了一種基于離散小波的運(yùn)動(dòng)偽影校正方法來(lái)去除信號(hào)中的任何尖波。

3.研究結(jié)果

對(duì)于兩個(gè)個(gè)體SD測(cè)量值的比較，對(duì)所有受試者進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，兩個(gè)個(gè)體SD測(cè)量值的log2[CVRSDI/CVRSDφ]之間沒(méi)有明顯差異(p>0.1)。另一方面，在對(duì)SS數(shù)據(jù)進(jìn)行類似配對(duì)t檢驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)體SS測(cè)量值的log2[CVRSSI/CVRSSφ]存在明顯差異(p<0.05)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

FD-NIRS測(cè)量的CVR與理論模擬使用兩層介質(zhì)比使用均勻介質(zhì)預(yù)測(cè)的大腦Sc吸收變化的敏感性更一致。結(jié)果表明，雙層模型比均勻模型更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我們的結(jié)果表明，在存在較薄的腦外組織層(小于8-13 mm)的情況下，比其下方的大腦組織散射更大，斜率強(qiáng)度測(cè)量(SSI, DSI)可能比斜率相位測(cè)量對(duì)大腦更敏感。

5.參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)

Sensitivity of frequency-domain optical measurements to brain hemodynamics: simulations and human study of cerebral blood flow during hypercapnia

DOI：10.1364/BOE.412766